技术

        滑环电刷是用于绕线异步机，运动和静止的电器连接装置，最大的问题在于悬臂梁结构造成故障率高维护量大。此为传统200年电机学遗留下来的疑难问题。传统绕线型异步机的滑环为“机载”滑环 , 即滑环装置安装在电机转子轴的尾端 , 滑环实际是单端支撑的悬臂梁结构，故电机在运行过程中，由于离心力和径向不平衡力矩的作用，滑环将不可避免地产生径向抖动 , 尤其是在启动和调速运行时，现象更为明显。
       滑环的抖动振幅、频率很高，电刷的压力弹簧根本无法响应，因此造成电刷和滑环的接触不良，于是造成严重的打火，致使滑环表面烧蚀，电刷也随之损坏。
       假设排除抖动因素，但是滑环的线速度高亦是造成电刷磨损大，寿命短的元凶。
       “机载”滑环结构的滑环必然要安装在电机转子的轴上，由于转子绕组的电缆要通过轴心引出，因此须要采用 大直径、空心型的轴结构，滑环的直径受转子轴的限制必然增大。电刷的磨损和滑环相对运动的线速度密切相关，具有关资料介绍，电刷的寿命和滑环的线速度的平方成反比，故机载滑环的传统结构电刷的寿命较低，标准规定只有 3500 —— 4500 小时，实际的寿命还远低于标准值。
       传统机载结构的滑环、电刷结构在散热方面也存在困难，通常，滑环表面的温升多超过 8 0 C C ，加剧了 磨损，使滑环电刷可靠性进一步降低。同时，电刷磨损产生很多的碳粉 , 散落在绝缘的各相滑环之间，极容易产生滑环相间短路和造成接地，滑环系统将彻底损坏。

        传统绕线型异步机的集电装置分为外置型和内置型两种，其中前者应用较多，故作典型分析。
   

1  集电装置的症结详细阐述

       从根本上解决集电装置可靠性问题的思路是无刷化，但是技术复杂，代价高昂，而且很难制成大功率的设备。
       有刷集电装置是否能够有效解决相对运动及摩擦的弊端，这是有刷方案首先必须回答的问题，实践证明，只要准确把握滑环、电刷的关键要点，采取有效的技术措施，有刷集电装置的寿命和可靠性是完全可以提高和改善的。为此，我们作了大量的实验，结果表明，只要解决好滑环、电刷的摩擦力、线速度以及润滑等关键问题，即使普通的电刷的寿命也能达到 27000 小时（约合 3 年）以上，而处理好滑环的光洁度、硬度、导电性，其使用寿命可以长达 15 年。显然，这样的性能指标是可以满足设备运行要求的。然而，现实的有刷集电装置与实验效果差距甚远，电刷的使用寿命平均大约只有 2000 小时左右，滑环的寿命很短，而且故障率较高。我们曾查阅大量的有关资料，试图查找出问题的症结，但收效甚微，于是我们针对大量的滑环、电刷损坏现象独立研究实验，发现两项新的规律，取得了突破性进展 。

1.1 抖动与火花

       火花是滑环、电刷可靠性的头号大敌，一旦产生，其高温、高能将使滑环表面烧蚀，光洁度遭到破坏变得粗糙，于是电刷磨损加剧。同时，滑环烧蚀使得和电刷接触面积减小，电流密度增大，火花强度进一步增大，由此恶性循环，直至滑环损坏。
       火花是 电刷和滑环之间因 接触不良导致电流密度过大而产生的放电现象 ，火花的产生缘于电流密度过大（即电场强度过高），那么是什么原因造成滑环和电刷的电流密度过大呢？按电流密度 ，由于转子电流 I 是负载决定的，即使在起动状态下，也不可能增大到放电的水平，因此，电流密度巨增显然是导电面积 S 锐减所致。又，静止状态时滑环、电刷接触通常是良好的，接触不良多发生在旋转状态，即电动机运行时产生的瞬间径向抖动，使滑环、电刷产生脱离（电刷虽然有弹簧作用，却不能瞬时响应），造成电刷和滑环的接触面积锐减甚至为零，于是产生极大的电流密度引起火花。大量的实践证明了这一结论。
       那么造成滑环抖动的原因又是什么？主要有三：

1)  附加转矩

       附加转矩引起的抖动和火花多发生于起动阶段，其间，电动机的起动电流较大，转速较低（转子频率较高）。根据电机学，附加转矩是电动机转子谐波和定子基波作用所产生的不平衡转矩，它将使电机产生强烈的噪声和震动，严重影响电动机的正常运行。附加转矩引发的抖动通常只发生在电动机起动过程的某个特定转速区间，当起动完成后，附加转矩变得很小，可以忽略不计，但是，瞬时抖动造成的火花危害已经形成。需要指出，从电动机的设计和制造的源头克服附加转矩是极其困难的，现实的方法是约束滑环，使其摆脱附加转矩的作用，或者尽量减小运动幅度，但这一要求在传统绕线机上难以实现。

2)  滑环偏心误差

       如果滑环和转子同轴，要求滑环和轴必须保证严格的同轴度，偏心误差不得超过 0.01_ 0.05mm ，否则，当电动机高速运转时，滑环和轴的偏心误差将产生很大的不平衡离心力，动平衡遭到破坏，电刷和滑环的压力不均衡，严重时将产生火花，烧蚀滑环，即使轻微，也将导致滑环磨损不均匀，形成椭圆，同时滑环表面平整性破坏加剧，使用寿命明显降低。
       问题是传统绕线异步机受生产工艺的限制，只能是将滑环加工完毕后再安装在转子轴上，而且为了转子绕组的电缆通过，，滑环端的轴必须是空心的，很难在滑环安装后再整体加工，因此滑环偏心误差大的结果是无法避免的。
       大量的实践表明，只要没有火花的侵蚀，单纯的机械摩擦对滑环表面平滑性损害很小，滑环寿命平均可达 10 年以上，即使因电刷杂质有局部损伤，也不会对导电性产生明显影响，更不会产生火花。

3)  滑环的悬臂梁结构与缺陷

        外置型集电装置的典型特点是滑环和尾轴呈悬臂梁结构，在这种结构中，约束滑环抖动的只有电动机的尾端轴承，滑环另外一端是开放的，没有约束。因此，一旦电动机产生附加转矩，或者滑环和轴不同心产生偏心力，滑环必然产生相应的抖动，抖动的幅度随滑环和尾端轴承的距离正比增大。因此，悬臂梁结构的外置型集电装置对抑制抖动的能力极差，因此而产生滑环打火的现象十分普遍，而且一旦问题发生，没有简单有效的处理方法。
        笔者曾多次在工程实践中遇到此类棘手问题，例如哈尔滨某供热公司的 250KW 风机，电动机的容量不大，限制的起动电流也只有 2 倍左右，但电动机起动到临近额定转速时，突然急剧抖动，幅度可达 2mm 以上，电刷和滑环之间产生强烈的火花，严重烧蚀滑环表面，电动机不能正常运行。为此制造商将电动机返厂，对轴承、滑环进行反复处理，但结果依旧。
        由于异步机的附加转矩是无法彻底消除的，而且很难准确量化，于是，解决由此引起的抖动问题只能归结到如何抑制抖动幅度，而不能设想消除抖动的根源。
        内置型集电装置将滑环安装在电动机两端轴承之间，理论上有效抑制了抖动，但是却产生了新的问题。一是转子轴的长度增大，挠度降低，如果加粗轴的直径，不仅增大电动机的体积和成本，而且影响转子的电磁性能；二是结构复杂，滑环电刷必须和绕组隔离，以防止石墨粉尘破坏绕组的绝缘，而且要考虑更换电刷的方便，给结构设计造成很多困难。

1.2 线速度与磨损 ：

        如果解决了火花问题，电刷、滑环的寿命就取决于磨擦系数和线速度了。由于决定磨擦系数的因素——平滑度（含润滑）、弹簧压力容易在加工中得到满足，因此寿命问题重点在于相对运动的线速度。
据有关文献介绍，相对运动物体的磨损率和线速度的平方成正比，因此，要降低电刷、滑环的磨损率提高寿命，关键是减小两者相对运动的线速度。
       滑环相对电刷的线速度
                                                                                       
       其中转速 n 取决于电动机的极数和生产的需求，不宜改变，因此要降低线速度只有减小滑环的直径 D 。
       传统绕线机的滑环套装在转子轴上，不可能设想滑环的直径小于转子轴的直径，而后者是按转子荷载的强度要求设计，对于高压功率较大的电动机，转子轴的直径至少在 100mm 以上，加上滑环和轴的绝缘厚度，滑环直径不可能减小到理想的水平。 
滑环直径是严重影响电刷和滑环工作寿命的参数，理由是滑环直径和线速度成正比。要延长电刷和滑环的磨损寿命，最直观而简单的方法就是减小滑环的直径，但是这对于传统异步机结构几乎是不可能的。
       无论是内置型还是外置型集电装置，滑环都是通过绝缘层刚性地安装在转子轴上，滑环的直径不可能小于转子轴的直径，而后者是按电动机载荷强度设计，无法顾及滑环速度的要求。
       综观国内外高压绕线型异步机，滑环的直径大约是轴径的 2.5 — 3.5 倍，比合理的滑环直径至少大出一倍以上，而由此引起的线速度增大一倍，电刷的磨损增大，寿命明显降低。